Получение металлического водорода без давления и температуры. Ученые впервые получили металлический водород. Связь с другими областями физики
Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017
В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления - 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.
Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее - не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.
Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.
Источник: Dias & Silvera, 2017
Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.
К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь - 380 ГПа.
После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.
Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько - от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», - заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода.
Пока что сложно сказать , какую форму металла получили англичане - твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.
Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода - 216 Мдж/кг.
«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», - заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.
При крайне высоких давлениях водород претерпевает фазовый переход. После этого коллективы атомов вещества начинают проявлять металлические свойства. Они обладают высокой удельной теплотой фазового перехода и высокотемпературной сверхпроводимостью.
Создание металлического водорода было теоретически предсказано в 1996 году
Доктор физико-математических наук Валентин Рыжов пояснил сайт, почему к открытию приковано такое внимание:
Это некий принципиальный момент, связанный с обоснованием методов, которые описывают состояние материи. Металлический водород – практически идеальный металл. Во-вторых, еще в 70-х установили, что металлический водород теоретически метастабилен, должен терять проводимость и проводить ток без сопротивления. Тогда же, в разгар гонки вооружений, возникла тема нового оружия. Речь шла о нейтронной бомбе. Металлический водород был бы идеальной защитой от такого оружия – им собирались даже танки покрывать. Все это подхлестывало интерес, выделялись деньги на исследования.
Валентин Рыжов
Сотрудники Ливерморской национальной лаборатории в 1996 году заявили, что получили свидетельства его возможного получения. Предположительно, металлический водород просуществовал в течение 1 микросекунды. Однако явления фазового перехода специалисты тогда не наблюдали, да и опыт ставили не с целью получить металлический водород, а чтобы исследовать свойства образца под давлением 100 ГПа.
Первый на планете
Физики Гарвардского университета профессор естественных наук Томас Д. Кабот, Исаак Сильвера и сотрудник докторантуры Ранга Диас как раз наблюдали явление фазового перехода, которое свидетельствует о получении металлического водорода. Атомарный водород из жидкой фазы перешел в твердую при давлении до 495 ГПа температуре 5,5 К в алмазной наковальне - между остриями искусственных алмазов.
Водород из состояния прозрачного, как стекло, преобразовался в состояние блестящего металла, подобно меди или золоту отражающего свет. Переход в твердую фазу подтвердил спектроскопический анализ.
Сильвера прогнозирует, что после снятия давления металлический водород в новых экспериментах будет оставаться метастабильным. Аналогичным образом алмазы образуются из графита.
Состояния водорода: прозрачный водород - диэлектрик, черный водород - полупроводник, атомарный металлический водородНеобходимо огромное количество энергии, чтобы сделать металлический водород. И если вы преобразуете его обратно в молекулярный водород, энергия высвобождается, так что это сделало бы его самым мощным ракетным топливом, известным человеку, и может революционизировать ракетную отрасль.
Кроме того, металлический водород может быть использован как сверхпроводник.
Впрочем, эксперты отмечают, что прямых экспериментальных свидетельств существования металлического водорода физики не получили. Предположительно металлический водород существует между ядром и атмосферой Сатурна и Юпитера. Однако и это пока не доказано.
Эксперименты по его обнаружению ставились и в нашем институте. Но результатов, которые заслуживали бы доверия, не получилось. Это очень сложно, когда сам размер образца – одна сотая миллиметра. Более того: до сегодняшнего момента об обнаружении металлического водорода заявляли неоднократно. Но после всегда находились контрдоводы. Если сейчас окажется, что результаты верны (а это вполне возможно, так как тонкость эксперимента невероятна), то это открытие действительно уровня Нобелевской премии.
Валентин Рыжов
Заместитель директора Института физики высоких давлений РАН, доктор физико-математических наук
Учёные из Гарвардского университета стали виновниками крупного научного переполоха, сообщив о получении стабильного образца металлического водорода . Результаты нового исследования вызывают много вопросов, но, если учёным мужам удастся получить их подтверждение, открытие будет иметь огромное значение для человечества.
В 1935 году физики-теоретики впервые предсказали возможность перехода химического элемента водорода в металлическое состояние при давлении 25 гигапаскалей (такого рода значения характерны для недр планет). Однако дальнейшие расчёты и многочисленные эксперименты по сжатию газа показали, что условия, необходимые для образования самого редкого металла во Вселенной, должны быть гораздо более экстремальными.
Только в 1996 году команде исследователей из Ливерморской национальной лаборатории впервые удалось синтезировать металлический водород путём ударного сжатия при температуре, измеряемой в тысячах кельвинов. Однако и тогда, согласно заверению учёных, образец оставался стабильным лишь на одну тысячную долю секунды.
В новой работе Исаак Сильвера (Isaac Silvera) и его коллеги использовали ячейку с алмазными наковальнями . Эта конструкция представляет собой крошечную камеру диаметром менее миллиметра, которая сжимается с двух сторон особым образом обработанными коническими синтетическими алмазами. Благодаря исключительной прочности этого материала, в рабочей области может быть создано давление в несколько миллионов атмосфер. Кроме того, сквозь прозрачные камни можно наблюдать, что происходит внутри.
Учёные наполнили камеру водородом и создали внутри давление в 495 гигапаскалей, что превышает давление в центре земного ядра. В результате молекулы водорода сблизились настолько, что распались на атомы. При этом их ядра выстроились в решётку и потеряли электроны, которые стали беспорядочно двигаться внутри, как в любом другом металле.
"Это святой Грааль физики высоких давлений, - говорит Сильвера в пресс-релизе университета. - Это первый образец металлического водорода на Земле, поэтому, когда вы смотрите на него, вы смотрите на то, что никогда прежде не существовало".
Микрофотографии процесса превращения молекулярного водорода в атомарный со схематическим пояснением.
Если громкое заявление американских физиков подтвердится, это может иметь далеко идущие последствия для самых разных отраслей человеческой деятельности. Теоретически сформированный при гигантском давлении металлический водород сохранит свою структуру и свойства при возвращении к обычным земным условиям.
И здесь-то и начинается самое интересное. Расчёты показывают, что такой металл будет демонстрировать при комнатной температуре, что немыслимо для существующих сверхпроводников, которые проводят электрический ток без потерь только при температурах, близких к абсолютному нулю.
Обладая таким материалом, можно будет произвести революцию в самых разных областях. В сверхпроводящих катушках энергия может храниться годами без потерь, что повысит энергоэффективность и производительность многих электронных устройств. Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники помогут создать сверхскоростные поезда и , преодолевающие на одной зарядке значительно большие расстояния чем сегодняшние модели.
Большие надежды на металлический водород возлагаются и в плане создания ракетного топлива нового поколения, которого так не хватает, для того чтобы принципиально увеличить .
"Он вбирает в себя огромное количество энергии, чтобы превратиться в металлический водород, — продолжает Сильвера. - И если преобразовать его обратно в молекулярный водород, то она будет высвобождаться, что позволит создать самое мощное на сегодняшний день ракетное топливо и даже совершить революцию в ракетостроении".
Но, как оказалось, далеко не все специалисты в восторге, как от самого эксперимента, так и от его результатов. Среди резко высказавшихся исследователей российско-немецкий физик , профессор Евгений Григорьянц из Университета Эдинбурга, физик высокого давления Рэймонд Джинлоз (Raymond Jeanloz) из Университета Калифорнии в Беркли и некоторые другие. Основных претензий - две. Во-первых, при обработке алмазов для наковальни на них была нанесена тонкая плёнка оксида алюминия. Некоторые учёные, не принимавшие участие в работе, считают, что то, что исследователи увидели под микроскопом, вполне могло быть металлическим алюминием. Во-вторых, многих насторожила единичность эксперимента (то, что его пока не повторили).
Сейчас все, включая и самих авторов работы, с нетерпением ждут результатов уточняющих экспериментов. Всё это время камера будет оставаться в зажатом состоянии. Физики должны подтвердить прежде всего, что получили именно твёрдый металл и что это металл вообще. Также было бы неплохо отдельно выяснить, как при столь экстремальных условиях эксперимента ведёт себя оксид алюминия.
Когда все тесты будут проделаны, алмазные тиски разожмут и можно будет приступить к повторению эксперимента. А до тех пор "битву за металлический водород" нельзя будет считать завершённой.
С результатами громкого исследования была опубликована в издании Science.
Производство металлического водорода было сложной задачей из области физики конденсированных сред, над которой ученые работали не один десяток лет. Такой материал способен служить отличным сверхпроводником при комнатной температуре и проявлять метастабильные свойства при высвобождении давления, и может оказать существенное влияние на , медицину и ракетостроение.
Исследователям из Гарварда удалось получить водород со свойствами металла. Результаты знакового научного эксперимента Ранга Диаса (Ranga P. Dias) и Исаака Сильвера (Isaac F. Silvera) были опубликованы на прошлой неделе в журнале Science .
Материал удалось создать путем сжатия емкости с молекулярным водородом между двумя искусственными алмазами в условиях сверхвысокого давления и низкой температуры. Давление пресса достигало 495 ГПа, что составляет около 5 млн атмосфер, при этом температура была понижена до минус 270 градусов по Цельсию.
В результате такого воздействия произошел процесс, который присущ металлам – атомы водорода выстроились в структуру, подобную кристаллической решетке и стали обмениваться электронами. Способность водорода переходить в состояние металла исследователи допускали еще более 80 лет назад. Ценность металлического водорода заключается в его свойствах, которые сейчас в полной мере не обладает ни один из известных материалов.
Предполагается, что металлический водород метастабилен. На практике это означает, что даже при возвращении его в условия нормальной окружающей среды он не будет менять свои свойства. Также ученые говорят о том, что металлический водород может быть сверхпроводником даже при комнатной температуре, что позволит достичь невиданных ранее результатов в передаче и аккумулировании энергии.
Сообщается, что уже заинтересовалось открытием ученых, поскольку применение металлического водорода в качестве топлива будет обеспечивать возможность создания мощнейшей тяги и вывода в космос массивных аппаратов.
Сейчас ученым нужно точно определить, является ли металлический водород действительно метастабильным и научиться создавать его в больших количествах, поскольку не все научное сообщество соглашается с их интерпретацией результатов эксперимента.
Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Профессионального высшего учреждения ОГУ
Металлический водород
Выполнила студентка
Группы 08Физ(б)
Пичугина Екатерина
Проверил: Арифуллин М.Р.
Введение
Металлический водород
Обогащение веществ водородом - путь к его "металлизации"
3. Слой металлического водорода у Юпитера
4. Внутреннее строение Юпитера
Заключение
Литература
Введение
Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород состоит из молекул, кипит при Tc =20,3 К и затвердевает при Тt =14 K. Плотность твердого водорода р=0,076 г/см 3 и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние. Грубую оценку плотности металлического водорода можно получить, если считать, что расстояние между протонами порядка боровского радиуса. Количественные, хотя и ненадежные расчеты приводят к меньшей плотности: например, согласно, молекулярный водород находится в термодинамическом равновесии с металлическим водородом при давлении р=2,60 Мбар, когда плотность металлического водорода р = 1,15 г/см3 (плотность молекулярного водорода при этом р=0,76 г/см3). Согласно }
